Väitös koneensuunnittelun ja tuotantotekniikan alalta, András Kriston, M.Sc. (Eng.)

Mikä selittää kumin suorituskykyä jäällä?

András Kriston, M.Sc. (Eng.) väittelee 30.06.2017 klo 12 Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulussa, konetekniikan laitoksella, aiheesta Mikrokontaktianalyysi kumin ja jään välisestä vuorovaikutuksesta kitkaprosessin aikana. Väitöskirjan nimi on englanniksi Micro contact analysis of rubber-ice interaction during frictional processes. Väitöksen ala on koneensuunnittelu ja tuotantotekniikka.

Kumin ja jään välinen kitka on olennaisessa osassa talvisessa tieliikenteessä. Väitöskirjassa kehitettiin metodologiaketju eri kumi-jääkitkamekanismien tutkimiseen mikroskooppisella tasolla. Jään pintaa tutkittiin kumin liu’uttua sen ylitse ja hyvin erilaisia kontaktijälkiä havaittiin riippuen ylitysten määrästä (liikennevirta), kumin jäykkyydestä sekä kumin karheudesta.

Mittausten perusteella voitiinkin todeta, ettei kumi-jääkitkaa voi selittää yhdellä tietyllä mekanismilla tribologisen järjestelmän monimutkaisuudesta johtuen. Esimerkiksi, jään kitka voi olla matala, kun kumiseos on kovempaa tai jos jää on lämpimämpää, johtuen paikallisesti sulaneesta jäästä. Tämä johtaa enemmän hydrodynaamiseen kitkaan. Sitä vastoin, jos jää on kylmempää, sulamisen mahdollisuus ja mittakaava ovat pienempiä, joten muut kitkamekanismit dominoivat, kuten jään deformoituminen ja kovien kumin täytepartikkeleiden auraava vaikutus. Mielenkiintoinen havainto oli, että esisulanut jääkerros aina voitelee kontaktialaa.

Kontaktin tutkiminen itse liu’un aika on ollut perinteisesti haastavaa, joten työssä käytettiin mikrotomografiaa (µ-CT) ja sitä sovellettiin ensimmäistä kertaa tämän kaltaisessa tutkimuksessa. Menetelmällä nähtiin kontaktin ”sisälle”, kun kumi on aidosti puristuneena eri tienpintoja vasten. Havaittiinkin että jäällä kumin pinnankarheushuiput deformoituvat pintaa vasten, kun taas karheammalla tienpinnalla kumi muokkautuu laajemmin epätasaisuuksien ympärille. Kontaktin tila luonnollisesti vaikuttaa suoraan vallitsevaan kitkamekanismiin kumin ja tien välillä.

Havaittujen eri kontakti- ja kitkailmiöiden suuri vaihtelu osoittaa, että modernin renkaan kumiseoksen kehityksessä on huomioitava hyvin erilaisia vaatimuksia. Optimoimalla kumin dynaamista jäykkyyttä, kontrolloimalla kumin pinnankarheutta sekä parantamalla molekyylitason adheesiota, voidaan renkaiden suorituskykyä jäällä parantaa.

Vastaväittäjä: Dosentti, FT Lasse Makkonen, Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy
Valvoja: Professori Kari Tammi, Aalto-yliopisto
Ohjaajat: Dr. Tibor Fülöp, Goodyear S.A., Luxembourg ja TkT Ari Tuononen, Aalto-yliopisto

Väitöskirja verkossa: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/26855

Väittelijän yhteystiedot: András Kriston, andras.kriston@aalto.fi